隨著社會的發(fā)展和科學(xué)的進(jìn)步,為了滿足人們對多種功能材料的需求,研究人員的視野逐漸由傳統(tǒng)的天然材料拓寬到了人工超構(gòu)材料。作為其中的重要分支,經(jīng)典波體系衍生出了與電子晶體所類似的光/聲子晶體這一概念,從而為多重波動特性的人工調(diào)控提供了新手段。本文著重對基于三組元單元晶胞的人工聲學(xué)超構(gòu)材料進(jìn)行了相關(guān)探究,利用其負(fù)折射、全反射以及禁帶、界面局域態(tài)等反常聲學(xué)特性,設(shè)計了包括聲學(xué)超透鏡、聲學(xué)管狀直/彎曲波導(dǎo)以及聲學(xué)變向/定向傳輸通道等在內(nèi)的多功能人工聲場調(diào)控結(jié)構(gòu)。論文的主要內(nèi)容包括:1.以三組元單元晶胞為基礎(chǔ)設(shè)計了多邊形超透鏡結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了對聲波傳輸波陣面的人工負(fù)折射調(diào)控,從而令其產(chǎn)生高效率的聲波聚焦現(xiàn)象。聚焦點處聲壓的強弱取決于入射聲波的頻率,越接近共振頻率,聲壓幅值越高。此外,基于頻率與波長的對應(yīng)關(guān)系,利用人工周期多邊形透鏡結(jié)構(gòu)也可以對出射聚焦點的尺寸大小進(jìn)行相關(guān)調(diào)控。2.設(shè)計和探究了包括管狀直波導(dǎo)、彎曲波導(dǎo)以及杠鈴型波導(dǎo)在內(nèi)的多種人工波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。利用入射聲波與結(jié)構(gòu)之間的相互作用實現(xiàn)了對傳輸波陣面的調(diào)控,從而降低了傳輸過程中的聲能損耗,提高了遠(yuǎn)距離聲波輸運的傳播效率。此外,這種人工周期結(jié)構(gòu)的設(shè)計有... 

【文章來源】：中北大學(xué)山西省

【文章頁數(shù)】：86 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

不同空間維數(shù)下的聲子晶體

中北大學(xué)學(xué)位論文4紀(jì)初期Liu[26]在《科學(xué)》上刊登和介紹了局域共振型聲子晶體以來，作為其中核心成果之一，該種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低頻帶隙的原因及機制便受到了廣泛的關(guān)注�？蒲腥藛T依次開展了對Fano-like效應(yīng)[51]以及諧振單元與長波行波之間的相互耦合效應(yīng)[52]的相關(guān)探究。在2005年，劉正猷教授團隊[53]在長波條件下發(fā)現(xiàn)了三組元共振散射體的負(fù)質(zhì)量密度。自此之后，負(fù)質(zhì)量效應(yīng)以及負(fù)彈性模量的設(shè)計思路便進(jìn)入了大眾的視野。梅軍教授等人[54]在2006年通過多重散射機理詳細(xì)研究和闡述了一種由柱狀散射體嵌入空氣或水等流體介質(zhì)中所構(gòu)成的聲學(xué)系統(tǒng)，并對其等效參數(shù)進(jìn)行了分析，給出了動態(tài)及靜態(tài)質(zhì)量密度間的關(guān)系，創(chuàng)新性地指出負(fù)質(zhì)量效應(yīng)是諧振單元的負(fù)動態(tài)響應(yīng)所導(dǎo)致的。后續(xù)針對這一結(jié)論，科研人員以赫姆霍茲(Helmholtz)諧振腔為原胞設(shè)計和構(gòu)造了一種人工聲學(xué)結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)了聲學(xué)的負(fù)彈性模量[55]。此外，也有研究人員以一種薄膜型結(jié)構(gòu)為原胞對超構(gòu)材料進(jìn)行設(shè)計，并有效實現(xiàn)了聲學(xué)的負(fù)質(zhì)量密度[56]。這些“單負(fù)”聲學(xué)參數(shù)的實現(xiàn)，標(biāo)志著人們已經(jīng)能夠從一些反常聲學(xué)現(xiàn)象的表面看到其內(nèi)在的物理本質(zhì)，并根據(jù)這些理論對所需聲學(xué)超構(gòu)材料進(jìn)行逆向設(shè)計和按需定制。(a)(b)(c)圖1-2不同傳播模式的聲子晶體(a)體波模式[20]；(b)表面波模式[17]；(c)蘭姆波模式[19]Fig.1-2Phononiccrystalswithdifferentmodesofpropagation.(a)Bodywavepattern[20];(b)Surfacewavepattern[17];(c)Lambwavepattern[19]

中北大學(xué)學(xué)位論文5(a)(b)圖1-3不同種類的聲子晶體結(jié)構(gòu)。(a)Bragg散射型[14]；(b)局域共振型[26]Fig.1-3Differentkindsofphononiccrystalstructure.(a)Braggscatteringtype[14];(b)Localresonancetype[26]不僅如此，為了拓展和豐富聲學(xué)超構(gòu)材料的理論體系，研究人員也對“雙負(fù)”參數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)探究。2004年，Li等[57]通過將軟硅橡膠浸入水中設(shè)計了一種流-固耦合聲學(xué)系統(tǒng)并實現(xiàn)了“雙負(fù)”參數(shù)(負(fù)彈性模量和負(fù)質(zhì)量密度)特性。2007年，Ding等[58]設(shè)計了一種具有雙諧振子的人工周期結(jié)構(gòu)，將單極與偶極共振有機結(jié)合，同樣實現(xiàn)了上述聲學(xué)“雙負(fù)”參數(shù)系統(tǒng)。概括來說，科研人員主要以兩個角度對聲學(xué)周期結(jié)構(gòu)的“雙負(fù)”特性開展了研究。其一是采用負(fù)質(zhì)量密度與負(fù)彈性模量相結(jié)合的形式，通過對參數(shù)的調(diào)控使其能夠同時在某一頻域產(chǎn)生諧振；其二是采用某種經(jīng)過特殊設(shè)計的局域共振型原胞，使其能夠在某一頻率下產(chǎn)生單極和偶極兩種共振模式，從而實現(xiàn)“雙負(fù)”聲學(xué)參數(shù)。這一系列科研工作為聲學(xué)體系中負(fù)折射特性的實現(xiàn)提供了新思路，更為突破衍射極限的倏逝波成像這一意義重大的科研課題指明了新方向。1.3.2應(yīng)用探索作為最初以及最主要的一項應(yīng)用，低頻減振降噪技術(shù)顯然是聲學(xué)超構(gòu)材料最具針對性的應(yīng)用方向之一。通過對小尺寸聲學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計來實現(xiàn)對大波長傳輸波陣面的操縱無疑會是令人期待的一項先進(jìn)技術(shù)。其中頻段較寬、質(zhì)量較輕、結(jié)構(gòu)簡單等因素都將是實際工程應(yīng)用中探索的重點。不論是空氣聲、水聲還是振動控制等方面，聲學(xué)超構(gòu)材料都已經(jīng)展現(xiàn)出了光明的應(yīng)用前景。對于空氣聲而言，一些科研人員曾經(jīng)設(shè)計和制備過包括局域共振結(jié)構(gòu)(圖1-4a)以及赫姆霍茲共振結(jié)構(gòu)(圖1-4b)在內(nèi)的吸隔聲裝置[59,60]，并且發(fā)現(xiàn)和驗證了頻域范圍會隨著結(jié)構(gòu)

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]二維光子晶體禁帶特性研究[J]. 袁桂芳,韓利紅,俞重遠(yuǎn),劉玉敏,蘆鵬飛.  物理學(xué)報. 2011(10)
[2]一維準(zhǔn)周期結(jié)構(gòu)聲子晶體透射性質(zhì)的研究[J]. 曹永軍,董純紅,周培勤.  物理學(xué)報. 2006(12)



本文編號：3099345